布魯克-殘餘應力的X射線衍射分析

更新時間：2020-08-04

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殘餘(yu) 應力對材料和部件的尺寸穩定性、抗應力腐蝕、疲勞強度、相變等性能有很大影響。一般認為(wei) 壓應力有益於(yu) 提高構件的疲勞強度，拉應力可促使裂紋開裂、對應力腐蝕和疲勞壽命產(chan) 生不利影響。因此，對殘餘(yu) 應力研究很有實際意義(yi) ，其測量受到學術界和工業(ye) 界的廣泛關(guan) 注，測控殘餘(yu) 應力以提高工件或材料的性能和使用壽命在工程應用上極為(wei) 重要。

1、內(nei) 應力的分類與(yu) X 射線衍射效應

內(nei) 應力是指沒有外力或外力矩作用而在物體(ti) 內(nei) 部存在並自身保持平衡的應力。依據對晶體(ti) 的X射線衍射現象的不同，可將內(nei) 應力分為(wei) 三類：

♦ 第I類內(nei) 應力：宏觀尺寸範圍內(nei) 存在並保持平衡的應力，與(yu) 之對應的應變導致原子間晶麵間距變化，引起X射線譜線峰位移；

♦ 第II類內(nei) 應力：幾個(ge) 晶粒範圍內(nei) 存在並保持平衡的應力，應力的作用與(yu) 平衡範圍較小，引起衍射譜線寬化；

♦ 第III類內(nei) 應力：一個(ge) 晶粒晶胞尺寸數量級範圍內(nei) 存在並保持平衡的應力，引起衍射譜線強度下降。

2、什麽(me) 是殘餘(yu) 應力？

國內(nei) 科技文獻習(xi) 慣將一類內(nei) 應力稱為(wei) 殘餘(yu) 應力。一般英、美文獻中把一類內(nei) 應力稱為(wei) “宏觀應力”（Macrostress），把二類和三類內(nei) 應力合稱為(wei) “微觀應力”（Microstress）。殘餘(yu) 應力可以認為(wei) 是一類內(nei) 應力的工程名稱。至於(yu) 通常所說的“熱處理應力”、“焊接應力”、“鑄造應力”等則是實施這些工藝的過程中產(chan) 生並終殘留的殘餘(yu) 應力的簡稱。

3 、X射線衍射法測量殘餘(yu) 應力的基本原理（sin²ψ法）

Ｘ射線衍射測量殘餘(yu) 應力的基本原理是以測量衍射角的偏移為(wei) 基礎，得到應變，而後通過彈性力學計算得到殘餘(yu) 應力。在無應力狀態，衍射角2θ不隨晶麵方位角ψ變化而變化。當試樣中存在殘餘(yu) 應力時，晶麵間距將發生變化，發生布拉格衍射時，產(chan) 生的衍射峰也將隨之移動，而且移動距離的大小與(yu) 應力大小相關(guan) 。

在拉應力狀態，晶麵方位角ψ越大，晶麵間距d也越大，依據布拉格定律，衍射角2θ就越小；相反，在壓應力狀態，晶麵方位角ψ越大，晶麵間距d也越小，相應地，衍射角2θ就越大。

可以推想，衍射角2θ隨晶麵方位角ψ變化而變化的快慢程度，直接反映出應力值的大小。

根據布拉格定律和彈性理論，可以推導出：

其中，K為(wei) 應力常數。這樣，隻要測出不同晶麵方位角ψ對應的衍射角2θ，求出2θ對sin²ψ的斜率，就可以根據上式算出應力σ。

4 、XRD殘餘(yu) 應力的測量方法

1 同傾(qing) 法試樣的Ψ轉軸與(yu) 衍射儀(yi) 的θ/2θ軸重合，Ψ角在計數管掃描平麵內(nei) 變化，上述兩(liang) 個(ge) 平麵重合，測定的是試樣橫向的表麵應力。這種Ψ角設置方式在國內(nei) 稱為(wei) 常規法，在歐洲叫做Ω-測角儀(yi) 。

2 側(ce) 傾(qing) 法若試樣的Ψ轉軸與(yu) 衍射儀(yi) 的θ/2θ軸垂直，即上述兩(liang) 個(ge) 平麵相互垂直，試樣表麵法線S3與(yu) 計數管掃描平麵之間的夾角為(wei) Ψ，測定的是試樣軸向（S1軸方向）的表麵應力。這種Ψ角設置方式在國內(nei) 稱為(wei) 側(ce) 傾(qing) 法，在歐洲叫做Ψ-測角儀(yi) 。